بررسی تاثیر افزودنی اکسید مس بر روند زینترینگ، ریز ساختار و هدایت پروتونی ترکیب زیرکونات باریم

محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

زهرا شرافت ¹ (دانشجوی دکترا مهندسی مواد دانشگاه شیراز)
محمدحسین پایدار ² (دانشیار بخش مهندسی مواد دانشگاه شیراز)

تاریخ دریافت : 1394/10/09 تاریخ پذیرش : 1394/10/09 تاریخ انتشار : 1390/04/01

کلید واژه: ساختار پروسکایت, زیرکونات باریم, هادی‌های پروتونی سرامیکی, هیدروژن, کمک زینتر,

چکیده مقاله :

در این پژوهش، تاثیر افزودن 2 درصد وزنی اکسید مس بر رفتار زینترینگ، ریز ساختار نهایی و هدایت پروتونی ترکیب خالص زیرکونات باریم مورد بررسی قرار گرفته است. ترکیب زیرکونات باریم حاوی 2 درصد وزنی اکسید مس به روش سنتز در فاز جامد و از مواد اولیه‌ی کربناتی و اکسیدی تهیه شد. بمنظور بررسی ساختار کریستالی فاز سنتز شده از روش تجزیه‌ی XRD استفاده شد. عملیات زینترینگ نمونه‌های خامی که به روش فشردن در قالب، تهیه شده بودند، در محدوده‌ی دمایی 1300 تا 1500 درجه‌ی سانتیگراد و به مدت 5 تا 20 ساعت انجام گرفت. بررسی ریز ساختار نمونه‌ها بمنظور تعیین کیفی اندازه‌ی تخلخل‌های برجا‌مانده و اندازه‌ی تقریبی دانه‌ها، با استفاده از تصویر برداری به روش SEM از سطح مقطع شکست نمونه‌ها انجام گرفت. هدایت پروتونی ترکیبات سنتز شده پس از انجام عملیات زینترینگ در اتمسفر احیا کننده (مرطوب و خشک) و با استفاده از روش تجزیه‌ی امپدانس تعیین گردید. نتایج این پژوهش نشان دادند که کاربرد افزودنی اکسید مس نقشی بسیار موثر در کاهش دمای زینترینگ و رشد دانه‌های ترکیب زیرکونات باریم دارد؛ به گونه‌ای که در حضور 2 درصد اکسید مس، دمای زینترینگ ترکیب یاد شده تا حدود 1400 درجه‌ی سانتیگراد کاهش یافته و اندازه‌ی دانه‌های آن بیش از 5 برابر افزایش می‌یابد. این نتایج هم‌چنین، نشان دادند که کاربرد افزودنی اکسید مس، به دلیل تاثیر قابل ملاحظه بر رشد دانه-ها، بر افزایش هدایت پروتونی نیز تاثیری مثبت دارد.  

منابع و مأخذ:

1- R. C. T. Slade, "The perovskite-type protonconductingsolid electrolyte BaCe0.90Y0.10O3−α

in high temperature electrochemical cells",Solid State Ionics, Vol. 61, pp. 111–114, 1993.

2- T. Norby, "Solid-state protonic conductors:principles, properties, progress and prospects",

Solid State Ionics, Vol. 125, pp. 1–11, 1999.

3- K. D. Kreuer, "Aspects of the formation andmobility of protonic charge carriers and the

stability of perovskite-type oxides", Solid StateIonics, Vol. 125, pp. 285–302, 1999.

4- T. Schober and H. G. Bohn, "Water vaporsolubility and electrochemical characterization

of the high temperature proton conductorBaZr0.9Y0.1O2.95", Solid State Ionics, Vol. 127,

pp. 351–360, 2000.

5- T. Fukui, S. Ohara, and S. Kawatsu, "Ionicconductivity of gadolinium-doped barium

praseodymium oxide", Solid State Ionics, Vol.116, pp. 331–337, 1999.

6- S. Shin, H. H. Huang, M. Ishigame and H.Iwahara, "Protonic conduction in the single

crystals of SrZrO3 and SrCeO3 doped withY2O3", Solid State Ionics, Vol. 40, pp. 910–

913, 1991.

7- H. Iwahara, T. Yajima, T. Hibino, K. Ozakiand H. Suzuki, "Protonic conduction in

calcium, strontium and barium zirconates",Solid State Ionics, Vol. 61, pp. 65–69, 1993.

8- T. Yajima, H. Kazeoka, T. Yogo and H.Iwahara, "Proton conduction in sintered oxides

based on CaZrO3", Solid State Ionics, Vol. 47,pp. 271–275, 1991.

9- N. Sata, K. Hiramoto, M. Ishigamw, S.Hosoya, N. Nijmuma and S. Shin, "Site identifi

cation of protons in SrTiO3: mechanism forlarge protonic conduction", Physics Reviews,

Vol. B54, pp. 15795–15799, 1996.

10- P. Babilo, T. Uda and S. M. Haile,"Processing of yttrium-doped barium zirconate

for high proton conductivity", Journal ofMaterials Research Society, Vol. 22, pp. 1322-

1330, 2007.

11- D. Gao and R. Guo, "Structural andelectrochemical properties of yttrium-doped

barium zirconate by addition of CuO", Journalof Alloys and Compounds, Vol. 493, pp. 288-

293, 2010.

12- A. M. Azad, S. Subramaniam and T. W.Dung, "On the development of high density

barium metazirconate (BaZrO3) ceramics",Journal of Alloys and Compounds, Vol. 334,

pp. 118-130, 2002.

13- J. S. Park, J. H. Lee, H. W. Lee and B. K.Kim, "Low temperature sintering of BaZrO3-

based proton conductors for intermediatetemperature solid oxide fuel cells", Solid State

Ionics, Vol. 181, pp. 163–167, 2010.

14- P. Babilo and S. M. Haile, "EnhancedSintering of Yttrium-Doped Barium Zirconate

by Addition of ZnO", Journal of the AmericanCeramic society, Vol. 88, pp. 2362–2368,

2005.

15- S. W. Tao and J. T. S. Irvine, "A Stable,Easily Sintered Proton- Conducting Oxide

Electrolyte for Moderate-Temperature FuelCells and Electrolyzers", Advanced Materials,

Vol. 18, pp. 1581-1584, 2006.

16- N. Ito, H. Matsumoto, Y. Kawasaki, S.Okada and T. Ishihara, "Introduction of In or

Ga as second dopant to BaZr0.9Y0.1O3–δ toachieve better sinterability", Solid State Ionics,

Vol. 179, pp. 324–329, 2008.